由于关天培在广东沿海的严密布防，使英国侵略者在这个时期的挑衅与袭击都未能得逞。道光十九年七月二十七日(1839年9月4日)，义律率兵船二艘、货船三艘到九龙山口岸以索食为名，突发炮火，进行挑衅活动，遭到大鹏营参将赖恩爵率领的水师猛烈反击，狼狈逃跑。两个月以后，九月二十八日(11月3日)义律又阻挡英国商船具结，破坏中英正常贸易，挑起穿鼻之战，这次战斗可说是揭开了中英鸦片战争的序幕，实际上是英国发动鸦片战争的开始。在这次战斗中，关天培亲临督阵，虽手背受伤，仍奋不顾身，执刀屹立，督令弁兵，对准英舰连轰数炮，使它遭到重创，仓皇遁去。此后十天内，英舰又接连向官涌守军发动六次进攻，结果都被增城营参将陈连升等所率领的守军所击退，获得全胜。战斗结束后，关天培得到清政府的嘉奖，在道光帝的上谕里写道：“此次攻击夷船，提督关天培奋勇直前，身先士卒，可嘉之至!著赏给‘法福灵阿巴图鲁’名号”，并下令“交部从优议叙，以示奖励”。

鸦片战争爆发后，关天培督率水师，坚守阵地，并积极组织渔船、蟹艇，利用各种机会袭击侵略军。道光二十年十一月(1840年12月)，琦善以钦差大臣和两广总督的身份抵达广州，一反林则徐之所为，遣散兵勇，尽撤海防，将关天培数年来辛苦经营的虎门三道防线并木排铁链全数加以毁弃。关天培为此感到十分痛心，一再要求琦善采取抵抗的积极措施，都遭到拒绝。这年十二月十五日(1841年1月7日)，英军突然袭击并攻占大角、沙角炮台，副将陈连升壮烈牺牲，虎门形势十分危急。当时，关天培与总兵李廷钰各只有弱兵数百，分守靖远、威远两炮台，请琦善派兵支援，琦善仅遣兵二百进行敷衍。道光二十一年二月初六日(1841年2月26日)，英军大举进攻虎门诸炮台，而守军才几百人，关天培在孤军无援的绝境下，决心死守阵地，将自己的财物全部分赠将士，鼓励他们英勇杀敌，他与游击麦廷章等昼夜督战。敌军在占横档、永安等炮台后，集中兵力进攻靖远和威远炮台，关天培亲燃大炮自上午十时至下午七时，与敌激战达十小时之久。敌人自炮台背后进攻，关天培身被数十创，犹持刀拚杀，最后英勇牺牲，游击麦廷章及所部战士数十人也都壮烈捐躯。

关天培在牺牲前特地委派家丁将他的广东水师提督官印送走。他早已作为国捐躯的准备，开战前给家人寄去一个匣子，内放几枚牙齿和几套旧衣服，表示自己必死的决心。他的尸体由家丁在乱尸中找到，身体的一半已被炮火全烧焦了。出葬的那天，“士大夫数百人缟衣迎送，旁观者或痛哭失声”。

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